切削深度对铝合金加工过程影响的数值仿真.pdf

第5 9 卷第2 期 2007 年5 月 有色金属 N o n f e r r o H sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．2 M a v2 0 0 7 切削深度对铝合金加工过程影H 向的数值仿真 刘胜永1 ，万晓航2 ，董兆伟2 1 ．河北师范大学机械系，石家庄0 5 0 0 3 1 ；2 ．河北工业职业技术学院，石家庄0 5 0 0 9 1 摘 要采用L a g r a n g e 质点坐标系描述方法，利用有限元分析软件，建立了二维热一力耦合正交直角切削有限元模型，通过 网格自适应技术，模拟切屑的形成，仿真切削深度对铝合金加工变形的影响。结果表明，切削深度对切削力的影响呈线性正比例 关系。切削深度越大，切削面积和切削宽度相应增加，切削力也越大。切削深度影响切削加工产生的残余应力大小及分布，残余 应力分布在工件表面以下的0 ．2 r a m 以内很薄的金属层，这对于厚度较小的薄壁件加工后的变形有很大的影响。加工时。为了提 高工件表面的精加工精度，降低工件表面的残余应力，在精加工时尽量采用小的切削深度。 关键词金属材料；铝；切削；有限元；切削深度 中图分类号T G S 0 1 ．1 ；T P 3 9 1 ．9 ；T G l 4 6 ．2 1文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 3 2 0 3 随着有限元技术的发展和推广，借助于大型有 限元软件可以实现对金属切削过程的动态仿真，获 得在金属切削实验中无法直接测量或难以测量的状 态变量，例如工件切削残余应力的分布和切削温度 等HJ 。这些变量的获得有利于更好地研究切削加 工机理，并对切削过程中的参数进行优化。与传统 的切削实验相比，采用有限元方法分析研究切削加 工机理可降低实验研究难度、周期和费用。 采用L a g r a n g e 质点坐标系描述方法，在计算机 上建立了二维热一机耦合正交直角切削有限元模 型，对金属切削加工过程进行了仿真和计算，研究了 不同切削深度对切削加工过程中加工残余应力、切 削温度和切削力的影响。对优化生产工艺，提高生 产效率具有重要的意义。 1切削模型的建立 金属切削过程是材料被去除的过程。切削中切 削层的金属在切削力的作用下发生塑性流动而变 形，最后形成切屑，其变形属于复杂的材料非线性行 为，因此正确的建立金属切削的有限元分析模型是 仿真成功的关键。 1 ．1 有限元模型 切削模型的工件尺寸为2 r a m 0 ．5 r a m ，设置单 收稿日期2 0 0 6 一0 9 2 1 基金项目河北省科技厅科研资助项目 0 5 2 1 2 1 0 5 D ； 河北省教育厅科研资助项目 2 0 0 2 2 4 0 作者简介刘胜永 1 9 6 8 一 ，男，河北定州市人，讲师，硕士，主要从 事金属材料与机械加工等方面的教学与研究。 元厚度为最大切削深度的5 倍以上，忽略切削宽度 方向上的切屑变形，工件的应力应变状态满足平面 应变状态，工件初始网格划分为0 ．0 1 m m X0 ．0 1 r a m 的4 节点平面应力单元，在平面应变分析中，这种低 阶单元已经被证明比高阶8 节点单元的计算结果更 准确[ 2 ] 2 。工件材料为铝合金A L 7 0 7 5 ，材料密度为 2 7 8 0 k g ／m 3 ，泊松比为0 ．3 5 ，材料的弹性模量、线膨 胀系数、热传导和比热容分别为温度变化的曲线函 数。由于金属切削刀具的硬度比工件的硬度要高的 多，同时又具有高耐热性，因此仿真中假定刀具为理 想刚体，不发生变形，但考虑其热传导。 有限元的边界条件为工件放在一对称体上以限 制工件y 方向的位移，在工件的右侧放置一固定刚体 以限制切削加工时工件向 x 方向的位移，同时又能 使网格重划分 R e m e s h i n g J l 页, 利进行，如图l 所示。 刀具 对称体墓i i i 蓁⋯三堡． 竺垩堡． I 制定踟体 图1 切削加工有限元分析模型 F i g ．1 F E Mm o d e lo fc u t t i n g 1 ．2 切屑分离 切屑形成时工件材料在刀刃处发生塑性流动， 随着变形增大，工件的初始网格就会发生严重的畸 变，这种网格畸变一方面会降低求解的精度，甚至导 、一_ 登 刚～ 万方数据 第2 期 刘胜永等切削深度对铝合金加工过程影响的数值仿真 3 3 致负的J a c a b i 矩阵，使得分析失败，另～方面会使刀 具与工件接触产生穿透现象，与实际情况不符，使求 解无法进行。分析中判断网格是否进行重划分的标 准实际上就是一个几何准则，采用单元畸变、接触穿 透两个几何准则作为工件进行网格重划分的判 据【3J ，这样随着刀具的不断进给，工件网格不断重 划分，实现了切屑从工件分离。 2刀屑摩擦模型 刀具和切屑的接触对摩擦力和切削热有着直接 的影响，大量的实验表明，在刀具的前刀面上有两个 明显的分区滑动区和粘着区。在滑动区，正应力相 对较小，几乎没有干摩擦。在粘着区，切屑底部与前 刀面发生粘结，这种情况下，切屑与刀具前刀面之间 的摩擦就不是外摩擦，而是切屑与刀具粘结层与其 上层金属之间的内部滑移剪切。因而，在有限元分 析时，在滑动区域使用常系数古典摩擦法则，在粘着 区使用常摩擦应力，用式 1 表示，式中T ，为摩擦 应力，盯。为正应力，卢为摩擦系数，r 。。。为材料的剪 切应力。 T r ／．t a 。 当T ， r 。。。，即滑动区 ；T r r 。。 当T ，≥r 。。；，即粘结区 1 3热传导 切削加工过程中伴有切削热的产生，切削热会 使工件产生热变形和残余应力，降低零件的精度和 使用的寿命，仿真中考虑了刀具与切屑接触面上的 摩擦热以及切屑塑性变形产生的热，由于通过辐射 方式传递的热量所占比例很小，在热传导分析中，忽 略了辐射作用只考虑传导和对流H J 。 1 工件塑性变形而产生单位体积的热生成率 可由式 2 得到，式中J 为热功当量，五为塑性变形 功转化为热的热转化系数，取点 0 ．9 ，W 7 P 为塑性 变形功转化热能比率，p 为材料的密度。 q7 儿W 7 p ／p 2 2 刀屑之间的摩擦产生的热可由式 3 得出， 式中F 厅为接触面之间的摩擦力，v ，为刀一屑相对 滑移速度。 Q7 F 厅v ，．厂 3 3 刀具和工件表面上对流热量为式 4 ，式中 h 为表面对流放热系数，h 0 ．4 N ／ s m m ℃ ， T t 。，为刀具和工件的表面温度，T 0 为周围环境温度， 实验在室温下进行，取T 。 2 0 ℃。 q h 丁。一T o 4 4 仿真结果及分析 仿真时，切削速度为2 ．5 m ／s ，选用刀具前角为 1 0 。，后角为8 。，考虑实际情况，假定刀刃钝圆半径为 0 ．0 2 m m [ 5 ] 5 。仿真分析了不同切削深度对切削加工 的影响。 4 ．1 切削深度对切削力的影响 切削力的大小直接影响切削热的多少，并进一 步影响着刀具的磨损、加工表面的质量和零件的加 工精度。图2 为刀具从开始切人工件到切削力达到 稳定状态，不同切削深度对切削力的影响结果。随 着切削深度的增加，切削面积和切削宽度都增大，从 而使得切削力增大。由于切削宽度的变化与摩擦系 数口和变形系数搴无关，因此，从图2 可见，切削深 度增加和切削力的增大呈线性比例关系。 Z 、 R 襄 S 图2 切削深度与切削力的关系 F i g ．2 R e l a t i o n sb e t w e e nc u t t i n gd e p t ha n dc u t t i n gf o r c e s 4 ．2 切削深度对切屑区温度场的影晌 图3 为不同切削深度对切屑区温度的影响。切 削深度增加后，工件塑性变形区域增大，塑变热增 多，产生的切削热也有所增加，但工件与外界接触的 散热面积也增加，所以切深对切削温度的影响不呈 线性比例关系。 图3 切削深度与切削区最高温度的关系 F i g ．3 R e l a t i o n sb e t w e e nc u t t i n gd e p t ha n dh i g h e s t t e m p e r a t u r e si nc u t t i n ga r e a p 、蜊囊裹S 万方数据 3 4 有色金属第5 9 卷 4 ．3 切削深度对应力场的影响 图4 切削深度对残余应力的影响 F i g ．4 R e l a t i o n sb e t w e e nc u t t i n gd e p t ha n dr e s i d u a ls t r e s s 准确的预测工件的残余应力，并将其控制在一 定的范围内，可以有效的提高工件的加工精度和工 件的疲劳强度。图4 为切削深度对工件已加工表面 残余应力的影响。从图4 可以看到，残余应力随着 切削深度的增加而增大，切削加工引起的残余应力 主要分布在距工件已加工表面0 ．2 r a m 的范围内，超 过该范围的应力量级几乎为零。 5结论 切削深度对切削力的影响呈线性正比例关系。 切削深度越大，切削面积和切削宽度相应增加，切削 力也越大。切削深度影响切削加工产生的残余应力 大小及分布，残余应力分布在工件表面以下的 0 ．2 m m 以内很薄的金属层，这对于厚度较小的薄壁 件加工后的变形有很大的影响。加工时，为了提高 工件表面的精加工精度，降低工件表面的残余应力， 在精加工时尽量采用小的切削深度。 参考文献 [ 1 ] 方刚，曾攀．切削加工过程数值模拟的研究进展．力学进展，2 0 0 1 ，3 1 3 3 9 4 4 0 4 [ 23I r ．A ．W ．A ．K o n t e r ．F E Ma n a l y s i so fc o n t a c tp r o b l e m si nm e t a lf o r m i n ga n dr u b b e ra p p l i c a t i o n s ．M A R CA n a l y s i sR e s e a r c hC o r p o r a t i o n ，E u r o p e ，Z o e t e r m e e r ，1 9 9 3 ，4 2 2 3 3 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rE f f e c to fC u t t i n gD e p t ho nA l a l l o yC u t t i n gP r o c e s s L I US h e n g - y o n 9 1 ，W A NX i a D ．h a n 9 2 ．D O N G 历口0 - 鲫西2 1 ．M e c h a n i cD e p a r t m e n to fH e b e iN o r m a lU n i v e r s i t y ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 31 ，C h i n a ； 2 ．V o c a t i o n a la n dI n d u s t r yI n s t i t u t eo fH 出i ，S h O i a d m a n g0 5 0 0 9 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to ft h ec u t t i n gd e p t h0 1 1t h ec u t t i n gp r o c e s so ft h eA 1 一a l l o yi si n v e s t i g a t e d ．T h et w o d i m e n s i o n h e a t m e c h a n i cc o u p l i n go r t h o g o n a lc u t t i n gm o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h eF E M a n a l y s i ss o f t w a r eb yu s eo ft h eL a g r a n g eq u a l i t yp o i n tc o o r d i n a t es y s t e md e s c r i p t i o nm e t h o d ．T h ew o r k p i e c ec h i pb r e a k i n gp r o c e s si ss i m u l a t e db y t h ea d a p t i v em e s h i n gc r i t e r i a ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fc u t t i n gd e p t ho nc u t t i n gf o r c ei si nl i n e a r i t y ． T h em o r et h ec u t t i n gd e p t h ，t h em o r et h ec u t t i n ga r e aa n dt h ec u t t i n gw i d t h ，a n dt h eb i g g e rt h ec u t t i n gf o r c e ． T h ed i s t r i b u t i o na n dm a g n i t u d eo ft h er e s i d u a ls t r e s sr e s u l t e db ym a c h i n i n gi si n f l u e n c e db yt h ec u t t i n g d e p t h ． T h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t e si nt h et h i nl a y e rw i t hl e s st h a n0 ．2 m mu n d e rt h es u r f a c eo fw o r k ．s oi t se f f e c t so n t h em a c h i n i n gd e f o r m a t i o no ft h i nw a l lp a r t si sr e m a r k a b l e ．T h e r e f o r e ，t h es m a l lc u t t i n gd e p t hi sf i r s t l yu s e di n f i n i s hw o r k i n gp r o c e d u r ei no r d e rt oi m p r o v et h em a c h i n i n gp r e c i s i o na n dr e d u c et h er e s i d u a ls t r e s so fw o r ks u r f a c e ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u m ；c u t t i n g ；F E M ；c u t t i n gd e p t h 万方数据